Pengujian Konduktivitas Termal Semikonduktor Zinc Oxide yang Didoping Aluminium.
PENGUJIAN KONDUKTIVITAS TERMAL
SEMIKONDUKTOR ZINC OXIDE YANG DIDOPING
ALUMINIUM
SKRIPSI
Diajukan sebagai salah satu syarat
Untuk memperoleh gelar
Sarjana Teknik
Oleh:
ZADID IHSANI
NIM. I 0411043
PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SEBELAS MARET
SURAKARTA
2017
i
"d!SJV' "v
"V'.lJo~eu!PJoo)l "£
"SqAV'.l DU!qW!qwad uasorj "2:
"SqAeMs!se4ew "t
: uesnqwa.l
IIwnlNIWn,y
9NldOOlO 9NYA 30lXO JNIZ 1I0J.>lnONO)llW3S
'YW1I3.1 SY.1II\IJ.>InONO)lNYlfn9N3dll
COt-Ett90SW)U010
UOnN3d"£
(Ot-EZt90SW)l9U3N3 N3W3I'vNVW"2:
(Ot-ES090SW>SVNVd NVHVONldU3d ISVl.ndwo>rt
Dun)jnpuad 4e!ln)l e~ev.J
tOOtZtOOOZSOLOZL6t /l.W'l.S '9NV8WVl smm 'U 'E
tOOtE0666tSZ'l70tL6t I"l.W "l.S 'NVMVIl.SIU>lIOna 'JO ·Z
tOOt'l70'l7tOZ8t80E86t
/6U3W 'l.S 'ouo~"Ie::>OJPUIIfew>tns ·t :
ZOOtZ0866tSt90tL6tl"l.·W
"l.·S 'IOVH lnSWVAS '9N3 'UO:
ZOOtZttOOZZ060'l7L6tl"l.W "ONl.IAnS NH::>3l.'UO:
16JaU3ISJaAU0>l:
2:DU!qW!qwad
t DU!qW!qwad
DUep!8
E'l70tt'l701:
WI
ewe
INVSHI OIOVZ:
Stoz/tt/tSIY:D6990
: JOWON
ulsaw >tlu>tal.tS: !pn~s WeJDOJd
SNn NIS3N >lIN>l3l. VNvfuvs WVU90Ud
UIH>lV SV9nl. Ifn9N3d NVO 9NI8WI8N3d SV9nl. l.vuns
ppe"Sun':lfU!SaW
:qaM £9tZ£9 HZO zyxwvutsrqponmlkjihgfedcbaZYXWVUTSRQPONMLKJIHGFEDCBA
· dlal. e:jJe)jems ue6uqua)l '19£ 'oN !we~ns JI If
NIS3W )lIN)l3~ 15zyxwvutsrqponmlkjihgfedcbaZYXWVUTSRQPONMLKJIHGFEDCBA
torus WVl:I90l:ld
~
)lIN)l3.L S'V.LIn)l'V::I - .L3~'VL'\IS'V1383S SV.LIS~31\INn
199NI.L NV:>IIOION3d N'VO 19010N)l3.L .L3SI~ N'VI~3.LN3L'\13)1
~
Z O O tZ 0866tS t90tL6t'diN
, 5 'IO V H 1nS W V AS '!)N 3 \10
1001~1000~SOLO~L6!
.iW'.iS '9NVSWVl srnrn '~
'€
100!€06661S~vO!L61
'.iW ''.is 'NVMVI.iSI~)f ions 'Ja
'z
100IvOv!O~8180€86!
6U3W zyxwvutsrqponmlkjihgfedcbaZYXWVUTSRQPONMLKJIHGFEDC
'is 'ouoA4e::> OJPUI!few>tns
'!
!P ~edwa+Jaq 'oo:oo:O t
'S N n-.L::Irp!) 'torw
'LtO Z -Z O -60 le66uel eped !fn6uad uesoq W!.i uedap !P ue>tue4e+Jad!p 4ela.izyxwvutsrqponmlkji
Z O O tZ ttO O Z Z 060"L6t
'diN
· .LW "O N .LIA
:> 3.L'\10
Z O O tZ 0866tS t90tL6t
'diN
· .L· W " '5 'IO V H 1nS W V AS '!)N 3 '\10
£"O tt"O I
:zyxwvutsrqponmlkjihgfedcbaZYXWVUTSRQPONMLKJIHG
WIN
IN V S H I O IO V Z
W nlN llr4Jn1V 9N ldO alO 9N V A
3alX O ::>N IZ1I0U naN O )llW 3S
1V W 1I3.1 S V .1IJ\IU naN O )l
N V lrn9N 3d
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur kehadirat Allah SWT yang telah melimpahkan rahmat dan
hidayah-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi ini. Selama
menyelesaikan skripsi ini penulis memperoleh banyak ilmu dan pengalaman yang
dapat dijadikan bekal untuk masa depan penulis saat bekerja.
Dalam menyelesaikan tugas sarjana ini penulis banyak memperoleh bantuan,
bimbingan, pengalaman, dan pelajaran yang sangat berharga dari berbagai pihak.
Oleh karena itu, pada kesempatan ini penulis mengucapkan banyak terima kasih
kepada:
1.
Bapak Dr.Eng. Syamsul Hadi, S.T., M.T. selaku pembimbing pertama skripsi.
2.
Bapak Prof. Dr.Techn. Suyitno, S.T., M.T. selaku pembimbing kedua skripsi.
3.
Bapak Agus Kurniawan, S.T., M.T. selaku pembimbing lapangan skripsi.
4.
Orang tua, kakak, adik, Tiara Setia Satiti, dan keluarga besar atas kasih sayang,
perhatian, doa, dan dukungan yang selalu diberikan kepada penulis.
5.
Seluruh Dosen, Staf, dan Laboran Program Studi Teknik Mesin Universitas
Sebelas Maret.
6.
Teman-teman Lab Nano Bioenergi : Mas Bambang, Husein, Bayu, Mbak
Dewi, Mas Yuda, Mas Catur, Mas Dedi, Pak Basuki, Mas Ratno, Mas Aryo,
Mas Aris, Mas Adit, Mas Fama.
7.
Teman-teman
teknik
mesin
angkatan
2011
untuk
dukungan
dan
kebersamaannya.
8.
Semua pihak yang telah memberikan bantuan, dukungan, dan nasihat selama
ini kepada Penulis yang tidak bisa disebutkan satu - persatu.
Penulis menyadari bahwa skripsi ini masih belum sempurna. Oleh karena
itu, masukan dan saran yang membangun sangat penulis terima. Penulis berharap
semoga skripsi ini dapat memberikan manfaat bagi penulis khususnya dan bagi
pembaca pada umumnya. Akhirnya semoga skripsi ini dapat bermanfaat bagi segala
pihak.
Surakarta, Februari 2017
Penulis
ii
PENGUJIAN KONDUKTIVITAS TERMAL SEMIKONDUKTOR
ZINC OXIDE YANG DIDOPING ALUMINIUM
Zadid Ihsani
I0411043
Mahasiswa Program Sarjana Teknik Mesin
Universitas Sebelas Maret, Surakarta
zadid05@gmail.com
+6287736646825
Abstrak
Zinc Oxide (ZnO) adalah salah satu material semikonduktor yang dapat
dikembangkan menjadi modul termoelektrik karena memiliki banyak keuntungan.
Penelitian ini membahas tentang pengujian konduktivitas termal pellet ZnO doping
Aluminium (Al) dengan menggunakan metode steady-state. Pellet ZnO doping Al
(2 wt%) disintering pada temperatur 1100ºC, 1200ºC, 1300ºC, 1400ºC, dan 1500ºC
dengan heating rate 8ºC/menit. Hasil uji SEM dan XRD menunjukkan bahwa
semakin tinggi temperatur sintering maka mengakibatkan ukuran butir meningkat,
batas butir mengecil, dan porositas menurun. Pada sampel sintering 1500ºC terdapat
fase ZnAlxOy yang menyebabkan menurunnya nilai konduktivitas termal. Nilai
konduktivitas termal tertingi didapatkan 2,25 W/m.°C pada temperatur sintering
1400oC dan suhu pengujian 300°C.
Kata Kunci: pellet, ZnO doping Al, konduktivitas termal, steady-state, sintering.
iii
THERMAL CONDUCTIVITY MEASUREMENTS OF
ALUMINUM-DOPED ZINC OXIDE SEMICONDUCTOR
Zadid Ihsani
I0411043
Student of Undergraduate Program of Mechanical Engineering Department
Sebelas Maret University Surakarta
zadid05@gmail.com
+6287736646825
Abstract
Zinc Oxide (ZnO) is one of semiconductor material that can be developed into a
thermoelectric module because of its advantages. This study discusses the thermal
conductivity measurements of Aluminum (Al)-doped Zinc Oxide (ZnO) by using
steady-state method. Al-doped ZnO (2 wt%) pellet was sintered into temperatures
of 1100ºC, 1200ºC, 1300ºC, 1400ºC, and 1500ºC with heating rate 8ºC/minute. The
grain size of pellet became bigger, the crystallinity increased, and the porosity
decreased if the temperature of sintering became higher as pointed out by SEM and
XRD test. A phase of ZnAlxOy which caused the value of thermal conductivity to
decrease was found in the sample of sintering at 1500°C. The highest thermal
conductivity of 2.25 W/m.oC was obtained by which sintering temperature of
1400oC and operational temperature of 300oC.
Keywords: pellet, Al-doped ZnO, thermal conductivity, steady-state, sintering
iv
DAFTAR ISI
KATA PENGANTAR .............................................................................................. ii
Abstrak ................................................................................................................... iii
Abstract .................................................................................................................. iv
DAFTAR ISI ........................................................................................................... v
DAFTAR GAMBAR ............................................................................................ vii
DAFTAR TABEL................................................................................................. viii
DAFTAR LAMPIRAN .......................................................................................... ix
DAFTAR NOTASI .................................................................................................. x
BAB I PENDAHULUAN ...................................... Error! Bookmark not defined.
1.1 Latar Belakang ........................................... Error! Bookmark not defined.
1.2 Perumusan masalah ....................................Error! Bookmark not defined.
1.3 Batasan masalah ......................................... Error! Bookmark not defined.
1.4 Tujuan dan Manfaat Penelitian ................... Error! Bookmark not defined.
1.5 Sistematika Penulisan ................................. Error! Bookmark not defined.
BAB II LANDASAN TEORI ................................ Error! Bookmark not defined.
2.1 Tinjauan Pustaka ........................................ Error! Bookmark not defined.
2.2 Dasar Teori ................................................. Error! Bookmark not defined.
2.2.1 Modul Termoelektrik ........................... Error! Bookmark not defined.
2.2.2 Kalor .................................................... Error! Bookmark not defined.
2.2.3 Konduktivitas termal ........................... Error! Bookmark not defined.
2.2.4 Standar pengujian ................................ Error! Bookmark not defined.
2.2.5 Perhitungan.......................................... Error! Bookmark not defined.
2.2.6 Ketidakpastian .....................................Error! Bookmark not defined.
v
BAB III METODOLOGI PENELITIAN ............... Error! Bookmark not defined.
3.1 Tempat Penelitian ....................................... Error! Bookmark not defined.
3.2 Pengujian .................................................... Error! Bookmark not defined.
3.3 Analisa Data ............................................... Error! Bookmark not defined.
3.4 Diagram Alir Penelitian .............................. Error! Bookmark not defined.
3.4.1 Pembuatan Sampel .............................. Error! Bookmark not defined.
3.4.2 Alat uji konduktivitas termal ............... Error! Bookmark not defined.
3.4.3 Pengujian .............................................Error! Bookmark not defined.
3.4.4 Penggunaan software ........................... Error! Bookmark not defined.
BAB IV ANALISA DAN PEMBAHASAN .......... Error! Bookmark not defined.
4.1 Hasil Pengujian SEM .................................Error! Bookmark not defined.
4.2 Hasil Pengujian XRD .................................Error! Bookmark not defined.
4.3 Hasil pengukuran Porositas ........................ Error! Bookmark not defined.
4.4 Hasil Pengujian Konduktivitas Termal ....... Error! Bookmark not defined.
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ................. Error! Bookmark not defined.
5.1 Kesimpulan................................................. Error! Bookmark not defined.
5.2 Saran ........................................................... Error! Bookmark not defined.
DAFTAR PUSTAKA ............................................. Error! Bookmark not defined.
LAMPIRAN ........................................................... Error! Bookmark not defined.
vi
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2. 1. Modul Termoelektrik ........................ Error! Bookmark not defined.
Gambar 2. 2. Proses perpindahan kalor ................. Error! Bookmark not defined.
Gambar 2. 3. Standar pengujian ASTM D 5470-06 (ASTM, 2006) .............. Error!
Bookmark not defined.
Gambar 3. 1. Skema alat pengujian konduktivitas termalError! Bookmark not
defined.
Gambar 3. 2. Alur penelitian .................................. Error! Bookmark not defined.
Gambar 3. 3. Langkah pembuatan sampel ............. Error! Bookmark not defined.
Gambar 4. 1. Skema pertumbuhan butir dikarenakan difusi atom ................. Error!
Bookmark not defined.
Gambar 4. 2. Foto SEM material ZnO:Al dengan perbesaran 2500X pada suhu
sintering (a) 1100°C, (b) 1200°C, (c) 1300°C, (d) 1400°C, (e) 1500°C ........ Error!
Bookmark not defined.
Gambar 4. 3. Grafik XRD material semikonduktor ZnO:Al. (a) ZnO (b) ZnAlxOy
................................................................................ Error! Bookmark not defined.
Gambar 4. 4. Gibbs free energy pada perubahan ukuran kristalError! Bookmark
not defined.
Gambar 4. 5. (a) Struktur kristal ZnO, (b) Struktur kristal ZnO doping Al ... Error!
Bookmark not defined.
Gambar 4. 6. Susunan kristal ................................. Error! Bookmark not defined.
Gambar 4. 7. Grafik porositas terhadap temperatur sinteringError!
Bookmark
not defined.
Gambar 4. 8. Hubungan laju penyusutan terhadap temperatur sintering ....... Error!
Bookmark not defined.
Gambar 4. 9. Hasil pengujian konduktivitas termalError! Bookmark not defined.
vii
DAFTAR TABEL
Tabel 4. 1. Ukuran butir sampel ZnO doping Al .... Error! Bookmark not defined.
Tabel 4. 2. Hasil EDAX material semikonduktor ZnO doping Al ................. Error!
Bookmark not defined.
Tabel 4. 3. Data analisa XRD sampel pellet ZnO:AlError!
defined.
viii
Bookmark
not
DAFTAR LAMPIRAN
Lampiran 1. Sampel Pellet ZnO doping Aluminium dan Data Porositas ...... Error!
Bookmark not defined.
Lampiran 2. Hasil uji EDAX ................................. Error! Bookmark not defined.
Lampiran 3. Identifikasi tipe material pada spektrum XRDError! Bookmark not
defined.
Lampiran 4. Analisa profil puncak pada spektrum XRDError!
Bookmark
not
defined.
Lampiran 5. Data uji konduktivitas termal ............ Error! Bookmark not defined.
Lampiran 6. Perhitungan nilai konduktivitas termalError!
Bookmark
not
defined.
Lampiran 7. Perhitungan uncertainty konduktivitas termalError! Bookmark not
defined.
Lampiran 8. Alat-alat penelitian ............................. Error! Bookmark not defined.
ix
DAFTAR NOTASI
A
: Luas meter-bar
m2
Amb
: Luas meter-bar
m2
Aiso
: Luas isolator
m2
B
: FWHM
D
: Ukuran kristal
nm
dA
: Jarak antara sensor T1 dan T3
m
dB
: Jarak sensor T3 dengan permukaan sampel
m
dC
: Jarak antara sensor T4 dan T6
m
dD
: Jarak sensor T4 dengan permukaan sampel
m
dg
: Diameter sampel sebelum proses sintering
m
ds
: Diameter sampel sesudah proses sintering
m
Dmb
: Diameter meter-bar
m
Diso
: Diameter isolator
m
k
: Konduktivitas termal
W/m.oC
kA
: Konduktivitas termal meter-bar antara T1 dan T2
W/m.oC
kB
: Konduktivitas termal meter-bar antara T2 dan T3
W/m.oC
kC
: Konduktivitas termal meter-bar antara T4 dan T5
W/m.oC
kD
: Konduktivitas termal meter-bar antara T5 dan T6
W/m.oC
kiC
: Konduktivitas termal isolator dingin
W/m.oC
kiH
: Konduktivitas termal isolator panas
W/m.oC
�
: Laju penyusutan sampel
%
LA
: Jarak antara T1 dan T2
m
LB
: Jarak antara T2 dan T3
m
LC
: Jarak antara T4 dan T5
m
LD
: Jarak antara T5 dan T6
m
LiC
: Jarak antara T1 dan T3
m
LiH
: Jarak antara T4 dan T6
m
q
: Heat transfer
W
qave
: Heat transfer rata-rata
W
qC
: Heat transfer dingin
W
x
qH
: Heat transfer panas
W
RC
: Total thermal resistance dingin
W/oC
RH
: Total thermal resistance panas
W/oC
RmbH : Thermal resistance meter-bar panas
W/oC
RmbC
: Thermal resistance meter-bar dingin
W/oC
RisoH
: Thermal resistance isolator panas
W/oC
RisoC
: Thermal resistance isolator dingin
W/oC
S
: Koefisien Seebeck
V/K
t
: Tebal spesimen
m
T
: Temperatur
o
TC
: Temperatur permukaan meter-bar dingin
o
TH
: Temperatur permukaan meter-bar panas
o
T1
: Temperatur meter-bar pada titik T1
o
T2
: Temperatur meter-bar pada titik T2
o
T3
: Temperatur meter-bar pada titik T3
o
T4
: Temperatur meter-bar pada titik T4
o
T5
: Temperatur meter-bar pada titik T5
o
T6
: Temperatur meter-bar pada titik T6
o
T13
: Beda temperatur antara T1 dan T3
o
T46
: Beda temperatur antara T4 dan T6
o
x
: Jarak penempatan thermocouple
m
ZT
: Figure of merit
λ
: Panjang gelombang X-ray
Å
θ
: Sudut difraksi
o
σ
: Konduktivitas listrik
Ω-1m-1
Celcius
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
Derajat
xi
SEMIKONDUKTOR ZINC OXIDE YANG DIDOPING
ALUMINIUM
SKRIPSI
Diajukan sebagai salah satu syarat
Untuk memperoleh gelar
Sarjana Teknik
Oleh:
ZADID IHSANI
NIM. I 0411043
PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SEBELAS MARET
SURAKARTA
2017
i
"d!SJV' "v
"V'.lJo~eu!PJoo)l "£
"SqAV'.l DU!qW!qwad uasorj "2:
"SqAeMs!se4ew "t
: uesnqwa.l
IIwnlNIWn,y
9NldOOlO 9NYA 30lXO JNIZ 1I0J.>lnONO)llW3S
'YW1I3.1 SY.1II\IJ.>InONO)lNYlfn9N3dll
COt-Ett90SW)U010
UOnN3d"£
(Ot-EZt90SW)l9U3N3 N3W3I'vNVW"2:
(Ot-ES090SW>SVNVd NVHVONldU3d ISVl.ndwo>rt
Dun)jnpuad 4e!ln)l e~ev.J
tOOtZtOOOZSOLOZL6t /l.W'l.S '9NV8WVl smm 'U 'E
tOOtE0666tSZ'l70tL6t I"l.W "l.S 'NVMVIl.SIU>lIOna 'JO ·Z
tOOt'l70'l7tOZ8t80E86t
/6U3W 'l.S 'ouo~"Ie::>OJPUIIfew>tns ·t :
ZOOtZ0866tSt90tL6tl"l.·W
"l.·S 'IOVH lnSWVAS '9N3 'UO:
ZOOtZttOOZZ060'l7L6tl"l.W "ONl.IAnS NH::>3l.'UO:
16JaU3ISJaAU0>l:
2:DU!qW!qwad
t DU!qW!qwad
DUep!8
E'l70tt'l701:
WI
ewe
INVSHI OIOVZ:
Stoz/tt/tSIY:D6990
: JOWON
ulsaw >tlu>tal.tS: !pn~s WeJDOJd
SNn NIS3N >lIN>l3l. VNvfuvs WVU90Ud
UIH>lV SV9nl. Ifn9N3d NVO 9NI8WI8N3d SV9nl. l.vuns
ppe"Sun':lfU!SaW
:qaM £9tZ£9 HZO zyxwvutsrqponmlkjihgfedcbaZYXWVUTSRQPONMLKJIHGFEDCBA
· dlal. e:jJe)jems ue6uqua)l '19£ 'oN !we~ns JI If
NIS3W )lIN)l3~ 15zyxwvutsrqponmlkjihgfedcbaZYXWVUTSRQPONMLKJIHGFEDCBA
torus WVl:I90l:ld
~
)lIN)l3.L S'V.LIn)l'V::I - .L3~'VL'\IS'V1383S SV.LIS~31\INn
199NI.L NV:>IIOION3d N'VO 19010N)l3.L .L3SI~ N'VI~3.LN3L'\13)1
~
Z O O tZ 0866tS t90tL6t'diN
, 5 'IO V H 1nS W V AS '!)N 3 \10
1001~1000~SOLO~L6!
.iW'.iS '9NVSWVl srnrn '~
'€
100!€06661S~vO!L61
'.iW ''.is 'NVMVI.iSI~)f ions 'Ja
'z
100IvOv!O~8180€86!
6U3W zyxwvutsrqponmlkjihgfedcbaZYXWVUTSRQPONMLKJIHGFEDC
'is 'ouoA4e::> OJPUI!few>tns
'!
!P ~edwa+Jaq 'oo:oo:O t
'S N n-.L::Irp!) 'torw
'LtO Z -Z O -60 le66uel eped !fn6uad uesoq W!.i uedap !P ue>tue4e+Jad!p 4ela.izyxwvutsrqponmlkji
Z O O tZ ttO O Z Z 060"L6t
'diN
· .LW "O N .LIA
:> 3.L'\10
Z O O tZ 0866tS t90tL6t
'diN
· .L· W " '5 'IO V H 1nS W V AS '!)N 3 '\10
£"O tt"O I
:zyxwvutsrqponmlkjihgfedcbaZYXWVUTSRQPONMLKJIHG
WIN
IN V S H I O IO V Z
W nlN llr4Jn1V 9N ldO alO 9N V A
3alX O ::>N IZ1I0U naN O )llW 3S
1V W 1I3.1 S V .1IJ\IU naN O )l
N V lrn9N 3d
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur kehadirat Allah SWT yang telah melimpahkan rahmat dan
hidayah-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi ini. Selama
menyelesaikan skripsi ini penulis memperoleh banyak ilmu dan pengalaman yang
dapat dijadikan bekal untuk masa depan penulis saat bekerja.
Dalam menyelesaikan tugas sarjana ini penulis banyak memperoleh bantuan,
bimbingan, pengalaman, dan pelajaran yang sangat berharga dari berbagai pihak.
Oleh karena itu, pada kesempatan ini penulis mengucapkan banyak terima kasih
kepada:
1.
Bapak Dr.Eng. Syamsul Hadi, S.T., M.T. selaku pembimbing pertama skripsi.
2.
Bapak Prof. Dr.Techn. Suyitno, S.T., M.T. selaku pembimbing kedua skripsi.
3.
Bapak Agus Kurniawan, S.T., M.T. selaku pembimbing lapangan skripsi.
4.
Orang tua, kakak, adik, Tiara Setia Satiti, dan keluarga besar atas kasih sayang,
perhatian, doa, dan dukungan yang selalu diberikan kepada penulis.
5.
Seluruh Dosen, Staf, dan Laboran Program Studi Teknik Mesin Universitas
Sebelas Maret.
6.
Teman-teman Lab Nano Bioenergi : Mas Bambang, Husein, Bayu, Mbak
Dewi, Mas Yuda, Mas Catur, Mas Dedi, Pak Basuki, Mas Ratno, Mas Aryo,
Mas Aris, Mas Adit, Mas Fama.
7.
Teman-teman
teknik
mesin
angkatan
2011
untuk
dukungan
dan
kebersamaannya.
8.
Semua pihak yang telah memberikan bantuan, dukungan, dan nasihat selama
ini kepada Penulis yang tidak bisa disebutkan satu - persatu.
Penulis menyadari bahwa skripsi ini masih belum sempurna. Oleh karena
itu, masukan dan saran yang membangun sangat penulis terima. Penulis berharap
semoga skripsi ini dapat memberikan manfaat bagi penulis khususnya dan bagi
pembaca pada umumnya. Akhirnya semoga skripsi ini dapat bermanfaat bagi segala
pihak.
Surakarta, Februari 2017
Penulis
ii
PENGUJIAN KONDUKTIVITAS TERMAL SEMIKONDUKTOR
ZINC OXIDE YANG DIDOPING ALUMINIUM
Zadid Ihsani
I0411043
Mahasiswa Program Sarjana Teknik Mesin
Universitas Sebelas Maret, Surakarta
zadid05@gmail.com
+6287736646825
Abstrak
Zinc Oxide (ZnO) adalah salah satu material semikonduktor yang dapat
dikembangkan menjadi modul termoelektrik karena memiliki banyak keuntungan.
Penelitian ini membahas tentang pengujian konduktivitas termal pellet ZnO doping
Aluminium (Al) dengan menggunakan metode steady-state. Pellet ZnO doping Al
(2 wt%) disintering pada temperatur 1100ºC, 1200ºC, 1300ºC, 1400ºC, dan 1500ºC
dengan heating rate 8ºC/menit. Hasil uji SEM dan XRD menunjukkan bahwa
semakin tinggi temperatur sintering maka mengakibatkan ukuran butir meningkat,
batas butir mengecil, dan porositas menurun. Pada sampel sintering 1500ºC terdapat
fase ZnAlxOy yang menyebabkan menurunnya nilai konduktivitas termal. Nilai
konduktivitas termal tertingi didapatkan 2,25 W/m.°C pada temperatur sintering
1400oC dan suhu pengujian 300°C.
Kata Kunci: pellet, ZnO doping Al, konduktivitas termal, steady-state, sintering.
iii
THERMAL CONDUCTIVITY MEASUREMENTS OF
ALUMINUM-DOPED ZINC OXIDE SEMICONDUCTOR
Zadid Ihsani
I0411043
Student of Undergraduate Program of Mechanical Engineering Department
Sebelas Maret University Surakarta
zadid05@gmail.com
+6287736646825
Abstract
Zinc Oxide (ZnO) is one of semiconductor material that can be developed into a
thermoelectric module because of its advantages. This study discusses the thermal
conductivity measurements of Aluminum (Al)-doped Zinc Oxide (ZnO) by using
steady-state method. Al-doped ZnO (2 wt%) pellet was sintered into temperatures
of 1100ºC, 1200ºC, 1300ºC, 1400ºC, and 1500ºC with heating rate 8ºC/minute. The
grain size of pellet became bigger, the crystallinity increased, and the porosity
decreased if the temperature of sintering became higher as pointed out by SEM and
XRD test. A phase of ZnAlxOy which caused the value of thermal conductivity to
decrease was found in the sample of sintering at 1500°C. The highest thermal
conductivity of 2.25 W/m.oC was obtained by which sintering temperature of
1400oC and operational temperature of 300oC.
Keywords: pellet, Al-doped ZnO, thermal conductivity, steady-state, sintering
iv
DAFTAR ISI
KATA PENGANTAR .............................................................................................. ii
Abstrak ................................................................................................................... iii
Abstract .................................................................................................................. iv
DAFTAR ISI ........................................................................................................... v
DAFTAR GAMBAR ............................................................................................ vii
DAFTAR TABEL................................................................................................. viii
DAFTAR LAMPIRAN .......................................................................................... ix
DAFTAR NOTASI .................................................................................................. x
BAB I PENDAHULUAN ...................................... Error! Bookmark not defined.
1.1 Latar Belakang ........................................... Error! Bookmark not defined.
1.2 Perumusan masalah ....................................Error! Bookmark not defined.
1.3 Batasan masalah ......................................... Error! Bookmark not defined.
1.4 Tujuan dan Manfaat Penelitian ................... Error! Bookmark not defined.
1.5 Sistematika Penulisan ................................. Error! Bookmark not defined.
BAB II LANDASAN TEORI ................................ Error! Bookmark not defined.
2.1 Tinjauan Pustaka ........................................ Error! Bookmark not defined.
2.2 Dasar Teori ................................................. Error! Bookmark not defined.
2.2.1 Modul Termoelektrik ........................... Error! Bookmark not defined.
2.2.2 Kalor .................................................... Error! Bookmark not defined.
2.2.3 Konduktivitas termal ........................... Error! Bookmark not defined.
2.2.4 Standar pengujian ................................ Error! Bookmark not defined.
2.2.5 Perhitungan.......................................... Error! Bookmark not defined.
2.2.6 Ketidakpastian .....................................Error! Bookmark not defined.
v
BAB III METODOLOGI PENELITIAN ............... Error! Bookmark not defined.
3.1 Tempat Penelitian ....................................... Error! Bookmark not defined.
3.2 Pengujian .................................................... Error! Bookmark not defined.
3.3 Analisa Data ............................................... Error! Bookmark not defined.
3.4 Diagram Alir Penelitian .............................. Error! Bookmark not defined.
3.4.1 Pembuatan Sampel .............................. Error! Bookmark not defined.
3.4.2 Alat uji konduktivitas termal ............... Error! Bookmark not defined.
3.4.3 Pengujian .............................................Error! Bookmark not defined.
3.4.4 Penggunaan software ........................... Error! Bookmark not defined.
BAB IV ANALISA DAN PEMBAHASAN .......... Error! Bookmark not defined.
4.1 Hasil Pengujian SEM .................................Error! Bookmark not defined.
4.2 Hasil Pengujian XRD .................................Error! Bookmark not defined.
4.3 Hasil pengukuran Porositas ........................ Error! Bookmark not defined.
4.4 Hasil Pengujian Konduktivitas Termal ....... Error! Bookmark not defined.
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ................. Error! Bookmark not defined.
5.1 Kesimpulan................................................. Error! Bookmark not defined.
5.2 Saran ........................................................... Error! Bookmark not defined.
DAFTAR PUSTAKA ............................................. Error! Bookmark not defined.
LAMPIRAN ........................................................... Error! Bookmark not defined.
vi
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2. 1. Modul Termoelektrik ........................ Error! Bookmark not defined.
Gambar 2. 2. Proses perpindahan kalor ................. Error! Bookmark not defined.
Gambar 2. 3. Standar pengujian ASTM D 5470-06 (ASTM, 2006) .............. Error!
Bookmark not defined.
Gambar 3. 1. Skema alat pengujian konduktivitas termalError! Bookmark not
defined.
Gambar 3. 2. Alur penelitian .................................. Error! Bookmark not defined.
Gambar 3. 3. Langkah pembuatan sampel ............. Error! Bookmark not defined.
Gambar 4. 1. Skema pertumbuhan butir dikarenakan difusi atom ................. Error!
Bookmark not defined.
Gambar 4. 2. Foto SEM material ZnO:Al dengan perbesaran 2500X pada suhu
sintering (a) 1100°C, (b) 1200°C, (c) 1300°C, (d) 1400°C, (e) 1500°C ........ Error!
Bookmark not defined.
Gambar 4. 3. Grafik XRD material semikonduktor ZnO:Al. (a) ZnO (b) ZnAlxOy
................................................................................ Error! Bookmark not defined.
Gambar 4. 4. Gibbs free energy pada perubahan ukuran kristalError! Bookmark
not defined.
Gambar 4. 5. (a) Struktur kristal ZnO, (b) Struktur kristal ZnO doping Al ... Error!
Bookmark not defined.
Gambar 4. 6. Susunan kristal ................................. Error! Bookmark not defined.
Gambar 4. 7. Grafik porositas terhadap temperatur sinteringError!
Bookmark
not defined.
Gambar 4. 8. Hubungan laju penyusutan terhadap temperatur sintering ....... Error!
Bookmark not defined.
Gambar 4. 9. Hasil pengujian konduktivitas termalError! Bookmark not defined.
vii
DAFTAR TABEL
Tabel 4. 1. Ukuran butir sampel ZnO doping Al .... Error! Bookmark not defined.
Tabel 4. 2. Hasil EDAX material semikonduktor ZnO doping Al ................. Error!
Bookmark not defined.
Tabel 4. 3. Data analisa XRD sampel pellet ZnO:AlError!
defined.
viii
Bookmark
not
DAFTAR LAMPIRAN
Lampiran 1. Sampel Pellet ZnO doping Aluminium dan Data Porositas ...... Error!
Bookmark not defined.
Lampiran 2. Hasil uji EDAX ................................. Error! Bookmark not defined.
Lampiran 3. Identifikasi tipe material pada spektrum XRDError! Bookmark not
defined.
Lampiran 4. Analisa profil puncak pada spektrum XRDError!
Bookmark
not
defined.
Lampiran 5. Data uji konduktivitas termal ............ Error! Bookmark not defined.
Lampiran 6. Perhitungan nilai konduktivitas termalError!
Bookmark
not
defined.
Lampiran 7. Perhitungan uncertainty konduktivitas termalError! Bookmark not
defined.
Lampiran 8. Alat-alat penelitian ............................. Error! Bookmark not defined.
ix
DAFTAR NOTASI
A
: Luas meter-bar
m2
Amb
: Luas meter-bar
m2
Aiso
: Luas isolator
m2
B
: FWHM
D
: Ukuran kristal
nm
dA
: Jarak antara sensor T1 dan T3
m
dB
: Jarak sensor T3 dengan permukaan sampel
m
dC
: Jarak antara sensor T4 dan T6
m
dD
: Jarak sensor T4 dengan permukaan sampel
m
dg
: Diameter sampel sebelum proses sintering
m
ds
: Diameter sampel sesudah proses sintering
m
Dmb
: Diameter meter-bar
m
Diso
: Diameter isolator
m
k
: Konduktivitas termal
W/m.oC
kA
: Konduktivitas termal meter-bar antara T1 dan T2
W/m.oC
kB
: Konduktivitas termal meter-bar antara T2 dan T3
W/m.oC
kC
: Konduktivitas termal meter-bar antara T4 dan T5
W/m.oC
kD
: Konduktivitas termal meter-bar antara T5 dan T6
W/m.oC
kiC
: Konduktivitas termal isolator dingin
W/m.oC
kiH
: Konduktivitas termal isolator panas
W/m.oC
�
: Laju penyusutan sampel
%
LA
: Jarak antara T1 dan T2
m
LB
: Jarak antara T2 dan T3
m
LC
: Jarak antara T4 dan T5
m
LD
: Jarak antara T5 dan T6
m
LiC
: Jarak antara T1 dan T3
m
LiH
: Jarak antara T4 dan T6
m
q
: Heat transfer
W
qave
: Heat transfer rata-rata
W
qC
: Heat transfer dingin
W
x
qH
: Heat transfer panas
W
RC
: Total thermal resistance dingin
W/oC
RH
: Total thermal resistance panas
W/oC
RmbH : Thermal resistance meter-bar panas
W/oC
RmbC
: Thermal resistance meter-bar dingin
W/oC
RisoH
: Thermal resistance isolator panas
W/oC
RisoC
: Thermal resistance isolator dingin
W/oC
S
: Koefisien Seebeck
V/K
t
: Tebal spesimen
m
T
: Temperatur
o
TC
: Temperatur permukaan meter-bar dingin
o
TH
: Temperatur permukaan meter-bar panas
o
T1
: Temperatur meter-bar pada titik T1
o
T2
: Temperatur meter-bar pada titik T2
o
T3
: Temperatur meter-bar pada titik T3
o
T4
: Temperatur meter-bar pada titik T4
o
T5
: Temperatur meter-bar pada titik T5
o
T6
: Temperatur meter-bar pada titik T6
o
T13
: Beda temperatur antara T1 dan T3
o
T46
: Beda temperatur antara T4 dan T6
o
x
: Jarak penempatan thermocouple
m
ZT
: Figure of merit
λ
: Panjang gelombang X-ray
Å
θ
: Sudut difraksi
o
σ
: Konduktivitas listrik
Ω-1m-1
Celcius
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
Derajat
xi